虛擬儀器在火箭發(fā)動機參數(shù)測試中的應用

1. 引言
　　當今在科技不斷飛速發(fā)展的情況下，測試系統(tǒng)對所應用的方法和設(shè)備、技術(shù)等提出了越來越高的要求。虛擬儀器通過軟件來取代部分傳統(tǒng)的硬件設(shè)備，也就是說，“軟件即儀器”。用這種軟件來進行數(shù)據(jù)采集、處理、存儲、打印及圖表等功能，將使儀器之間的數(shù)據(jù)交換及信息綜合等能力增強。同時，虛擬儀器的使用也使得其自身的升級和改進變得更加容易。LabVIEW的界面友好、編程方便、功能強大，成為虛擬儀器系統(tǒng)開發(fā)的優(yōu)秀平臺。它能夠在有限的基本硬件支持下，通過軟件完成數(shù)據(jù)的采集與控制、數(shù)據(jù)分析與處理以及數(shù)據(jù)顯示與存儲，從而實現(xiàn)各種現(xiàn)實
2. 虛擬儀器測試系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)
　　在虛擬儀器測試系統(tǒng)的五種基本構(gòu)成方式中，PC DAQ/PCI虛擬儀器系統(tǒng)是最廉價最基本的構(gòu)成方式，根據(jù)我們的需要，采用這種方式構(gòu)建測試系統(tǒng)。其結(jié)構(gòu)如圖1所示

圖1 虛擬儀器測試系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)
　　PCI-6024E是美國NI公司生產(chǎn)的多功能接口卡，它集12位A/D轉(zhuǎn)換器,12位D/A轉(zhuǎn)換器,16路單端接地的模擬輸入通道、8位或24位并行輸人輸出線（（SV/TTL）及兩路24位定時器與計數(shù)器為一體。支持DMA方式和雙緩沖區(qū)模式，保證了實時信號不間斷采集與存儲。在雙極性時，輸入電壓范圍選擇有100 mV,1 V,lOV,20V四種，它的最高采樣率為200kbit/s,主要完成數(shù)據(jù)采集功能。
3.虛擬儀器測試系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)
　　在分析和測定所采集的數(shù)據(jù)記錄時，快速傅立葉變換（FFT）和功率譜是非常有用的工具。借助這些工具能夠有效地采集時域信號，測定其頻譜成分，并對結(jié)果進行顯示。功率譜圖在頻率軸（X軸）上的頻率范圍和分辨率取決于采樣速率和數(shù)據(jù)記錄的長度（采樣點數(shù)）。功率譜圖上的頻率點數(shù)或譜線數(shù)為N/2,N是信號采集記錄中包含的點數(shù)。所有的頻點間隔為，通常稱之為頻率分辨率或FFT分辨率:采取FFT算法進行頻譜分析，要求采樣點數(shù)滿足N=2"，采樣頻率滿足采樣定理，即fs>fm（fm為信號的最大頻率分量）。對無限長連續(xù)信號x（t）進行有限時間內(nèi)的采樣就相當于利用矩形窗進行截斷, 截斷后變成有限長的離散時間序列 ,就有可能出現(xiàn)柵欄效應和泄露現(xiàn)象。這里n=0、1、2、3、…、n-1,截取長度tp=NT,T為采樣間隔。為了避免柵欄效應，必須使截取長度是信號頻率的整數(shù)倍。為了抑制快速傅里葉變換中的泄漏效應，選擇適合的窗函數(shù)對數(shù)據(jù)進行加權(quán)。本系統(tǒng)采用九種窗函數(shù)—矩形窗、漢明窗、漢寧窗、海寧窗、布萊克曼窗、凱塞窗、三角窗、平頂窗和指數(shù)窗等。其中矩形窗主瓣窄，旁瓣大，頻率識別精度最高，幅值識別精度最低;布萊克曼窗主瓣寬，旁瓣小，頻率識別精度最低，但幅值識別精度最高。要根據(jù)信號分析的不同要求來選擇不同的窗。
4. 實驗測試系統(tǒng)
　　固體火箭發(fā)動機的參數(shù)測試，主要通過發(fā)動機內(nèi)部高壓強，高燃速固體推進劑燃燒時，利用傳感器對其進行信號采集，然后經(jīng)過分析來得到參數(shù)。其中虛擬儀器測試系統(tǒng)主要由信號采集、信號分析與處理、結(jié)果輸出和顯示三部分組成。信號采集依托硬件系統(tǒng)完成，而信號分析與處理、結(jié)果輸出和顯示主要由軟件系統(tǒng)完成。
5. 實驗測試系統(tǒng)硬件設(shè)計分析
　　為了滿足精度需要，完成給定任務，按照虛擬儀器的基本結(jié)構(gòu)形式設(shè)計了固體火箭發(fā)動機參數(shù)測試系統(tǒng)。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 實驗測試系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖
　　傳感器是本實驗系統(tǒng)的一個核心器件。本實驗主要特點是壓強變化率較高，在幾十毫秒的時間內(nèi)，壓強可由大氣壓上升到80MPa，這對傳感器的靈敏度及頻率響應提出了很高的要求。實驗采用能夠分辨毫秒級的信號變化、頻響范圍在0～5kH:的壓強傳感器。從該傳感器傳出的電信號幅值較低，容易受到環(huán)境的噪聲干擾，因此首先應對信號進行調(diào)制、濾波、放大處理，然后經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換設(shè)備將信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號并傳人計算機中，由LabVIEW編制的采集軟件進行采集。再經(jīng)過抗混濾波放大器的放大，放大后的信號一般為高電平，在1～lOV之間，而且信號源離采集端較近，一般不超過4. 5m，因此信號的輸人方式可采用單端輸人方式。通過采集得到數(shù)據(jù)可以看出，這種輸入方式很號的滿足了實驗的精度要求。實驗使用的PCI6024E數(shù)據(jù)采集卡，可以直接插入計算機主板的PCI插槽上使用。它的最高采樣率為200Kbit/s，具有很強的數(shù)據(jù)采集功能，能夠很好的滿足實驗的要求。
6. 實驗測試系統(tǒng)軟件設(shè)計分析
　　虛擬儀器軟件系統(tǒng)一般包含兩部分，應用程序及I/O接口儀器驅(qū)動程序。本虛擬儀器系統(tǒng)采用的數(shù)據(jù)采集卡PCI6024E,LabVIEW環(huán)境提供了DAQ板卡的驅(qū)動程序。
　　本實驗所設(shè)計的軟件前面板如圖3所示，軟件主要完成信號的采集、分析和處理、數(shù)據(jù)文件的存儲、讀取等功能，主要分為三大模塊。

圖3 測試軟件前面板
　　6.1標定模塊
　　標定模塊主要完成壓強傳感器的標定過程。得到壓強與電壓的轉(zhuǎn)換關(guān)系。經(jīng)過傳感器的標定后，采集的信號將能夠自行的根據(jù)標定所得的壓強-電壓關(guān)系進行轉(zhuǎn)換。對于傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集設(shè)備，是把采集軟件得到的信號經(jīng)過放大和處理，進行存儲，然后應用其他的數(shù)學軟件按照事先得到的標定方程進行再次轉(zhuǎn)換。本文所述的虛擬儀器系統(tǒng)將這兩個過程合二為一使得采集得到的數(shù)據(jù)直接以壓強時間的關(guān)系顯示出來。標定模塊前面板如圖4所示。
　　在標定欄中，通過設(shè)定測試點個數(shù)，可以完成傳感器的標定，并將數(shù)值存儲，以表進行顯示。本軟件對采集出來的測試點數(shù)據(jù)可以選擇三種擬合類型，有線性擬合，指數(shù)擬合及多項式擬合。其中多項式擬合比較常用，其擬合出來的壓強、電壓的二次多項式 ，其中P代表壓強，a0，a1，a2為擬合出的多項式系數(shù)，U代表電壓。標定完成則進入數(shù)據(jù)的采集過程。

圖4 軟件標定模塊前面板
　　6.2信號采集及處理模塊
　　6.2.1信號采集模塊
　　信號采集及處理模塊是此軟件系統(tǒng)的核心，可以對外界信號實時地進行以示波器的方式顯示，可以將信號采集并進行處理及分析等。通過模塊的示波器功能可以先對整個系統(tǒng)進行初始的校驗。當系統(tǒng)連接正確，信號經(jīng)過采集卡輸人計算機時，初始的信號在進行壓強轉(zhuǎn)換前處于零值附近，以示波器的形式顯示為轉(zhuǎn)換后的值，即標定方程中的a0值附近。通過浮動的大小可以看出外界的干擾情況，以決定是否適宜進行實驗。采集得到的電壓信號將自動根據(jù)標定模塊中所選擇的擬合公式進行轉(zhuǎn)換，從而直接在軟件界面上圖形框中顯示出壓強-時間曲線圖，在數(shù)組框中顯示壓強值，并可以對壓強值進行保存。
　　在信號處理功能上，本軟件對采集的信號可以進行濾波處理，Labview環(huán)境提供了數(shù)字濾波器可以很方便的實現(xiàn)這一功能。對于該實驗系統(tǒng)，采集的數(shù)據(jù)量很大。當定容燃燒器內(nèi)推進劑試樣燃燒時，燃燒器內(nèi)的壓強將急劇升高，為了能夠很好的采集并顯示試樣燃燒過程的壓強變化過程，本采集系統(tǒng)的采樣率要求很高，可達20K，為了能夠?qū)⑷紵鲀?nèi)壓強的整個變化過程，采集時間將設(shè)為5s以上，則采集點數(shù)將達到100K，為能真實的反應信號的變化，本虛擬儀器的采集模塊可設(shè)置為運用LabVIEW提供的高速磁盤流技術(shù)，采集到的數(shù)據(jù)將首先實時地記錄到計算機硬盤上，當采集過程結(jié)束后，通過程序流程，再自動的將數(shù)據(jù)進行回放、顯示及分析。
　　6.2.2信號處理模塊
　　根據(jù)本實驗目的，設(shè)計了合理的數(shù)據(jù)處理模塊。在該模塊中，對采集的原始數(shù)據(jù)曲線進行平滑處理，根據(jù)最小二乘原理，采用了五點三次平滑公式。進而應用Labview的曲線擬合等功能函數(shù)，完成所需任務，并使得數(shù)據(jù)具有很好的圖形顯示、報表、打印、儲存等功能。在數(shù)據(jù)處理方面，如果所完成的任務較為復雜，還可以通過與C語言的接口，調(diào)用C語言編寫的程序，完成數(shù)據(jù)的復雜處理任務。
7. 結(jié)論
　　以PC機為主控單元、Labview為開發(fā)平臺的固體推進劑燃速測試系統(tǒng)充分發(fā)揮了虛擬
　　技術(shù)的優(yōu)勢，使系統(tǒng)具有優(yōu)良的人機交換界面，操作簡便，功能完善，可擴展性強等特點。系統(tǒng)將傳感器的標定和采集功能集于一體，使采集到的數(shù)據(jù)可以根據(jù)在標定模塊中得到的標定方程式進行自動轉(zhuǎn)換，一次完成。
　　本文作者創(chuàng)新點：運用虛擬儀器技術(shù)將火箭發(fā)動機參數(shù)測試過程軟件化，程序不僅可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的測量和圖形顯示，并且可以對數(shù)據(jù)進行分析和處理以及打印等功能，為固體火箭發(fā)動機的參數(shù)測試提供了比較完善的測試手段。